Pada bab ini akan dijelasakan tentang penelitian yang telah dilkukan. Penelitian ini menggunakan engine SINJAI 650 cc fuel
injection. Parameter yang dilakukan selama pengambilan data adalah variasi durasi camshaft terhadap unjuk kerja engine SINJAI 650 cc. variasi durasi yang dilakukan adalah 218°, 228°, 238°, 248° (standar), 258°, 268°, 278°.
4. 1 Bentuk Desain Camshaft Standar dan Camshaft
Modifikasi
Gambar 4.1 Bentuk Desain Camshaft Standar dan Camshaft Modifikasi
Keterangan camshaft standar:
Katup IN membuka : 25° sebelum TMA Katup IN menutup : 43° setelah TMB Katup EX membuka : 53° sebelum TMB Katup EX menutup : 15° setelah TMA
Overlap : 40°
Sudut LSA : 104°
Keterangan camshaft modifikasi:
Katup IN membuka : 15° sebelum TMA Katup IN menutup : 33° setelah TMB Katup EX membuka : 43° sebelum TMB Katup EX menutup : 5° setelah TMA
Overlap : 40°
4. 2 Pembahasan Metode Simulasi
4. 2. 1 Data Input untuk Metode Simulasi
Sebelum melakukan simulasi permorma engine SINJAI 650 cc, terlebih dahulu mendapatkan ukuran dimensi sejumlah komponen engine dengan cara pengukuran. Hasil pengukuran komponen engine tersebut akan dijadikan parameter input pada metode simulasi. Berikut adalah sejumlah ukuran parameter yang diinputkan pada metode simulasi:
1. Komponen inlet 2. Komponen engine 3. Komponen exhaust
4. Komponen properties bahan bakar
Tabel 4.1 Data komponen inlet
Intake Throttle
Tipe Spesifikasi Referensi
Throttle tipe Butterfly Sesuai spesifikasi
SINJAI
Throttle dia (mm) 51 Pengukuran
Closed angle (deg) 10° Pengukuran
Throttle angle (deg) 90° Pengukuran
Spindle dia (mm) 9 Pengukuran
Intake Port
Tipe Spesifikasi Referensi
No. of valve 2 Sesuai spesifikasi SINJAI
Valve throat dia (mm)
24 (untuk DOHC)
27.4 (untuk SOHC) Pengukuran
Port tipe Default good port Default
Intake Valve
Tipe Spesifikasi Referensi
Valve open (deg)
10°, 15°, 20°, 25° (standar), 30°, 35°,
40°
Sesuai spesifikasi dan variasi yang
akan dilakukan
Valve close (deg) 28°, 33°, 38°, 43°
58° akan dilakukan
Dwell at max (deg) 0 -
Max lift (mm) 7.8 Pengukuran
MOP (deg) 105 Nilai tengah durasi
Opening lash (mm) 0 -
Closing lash (mm) 0 -
Tabel 4.2 Data komponen engine
Cylinder
Tipe Spesifikasi Referensi
Bore (mm) 76 Sesuai spesifikasi SINJAI
Stroke (mm) 71 Sesuai spesifikasi SINJAI
Cyl. Swept vol (l) 0.32209 Kalkulasi LES
Tot. Swept vol. (l) 0.64418 Kalkulasi LES
Con. Rod length (mm) 115.6 Pengukuran
Pin off-set (mm) 0 Pengukuran
Compression ratio 10.0 (untuk DOHC) 9.0 (untuk SOHC) Sesuai spesifikasi SINJAI
Clereance vol. (l) 0.035788 Kalkulasi LES
Phase (ATDC) 0 dan 360 Sesuai spesifikasi SINJAI
Piston mass (kg) 0.21 Pengukuran
Piston-pin mass (kg) 0.05 Pengukuran
Con-rod rot Mass (kg) 0.7 Pengukuran
Con-rod recip. Mass
(kg) 1.0644 Pengukuran
Motion type Std Crank Slider Default
Combustion Model : Single Wiebe
Tipe Spesifikasi Referensi
A constant 5 User defined
Open Cycle HT : Woschni
Tipe Spesifikasi Referensi
A constant 3.26 User defined
B constant 9.120 User defined
C constant 0.8340 User defined
SR constant 0.00 User defined
Closed Cycle HT : Woschni
Tipe Spesifikasi Referensi
A constant 3.260 Default
B constant 4.560 Default
C constant 0.6160 Default
D constant 3.2400e-003 Default
G constant 1.330 Default
SR constant 0.00 Default
Surface Area : Default Value for Surface Area
Tipe Spesifikasi Referensi
Cyl Head Area/Bore
Area 1.200 Default
Piston Area/Bore Area 1.100 Default
Exposed Liner Length
at TDC (mm) 8.88 Default
No. of Liner Segements 20 Default
Surface Temperatur : Define Material and Coolant Properties
Tipe Spesifikasi Referensi
Head Aluminium Sesuai spesifikasi
SINJAI
Piston Aluminium Sesuai spesifikasi
SINJAI
Liner Ferro Casting
Ductile
Sesuai spesifikasi SINJAI
Tabel 4.3 Data komponen exhaust
Exhaust Port
Tipe Spesifikasi Referensi
No. of valve 2 Sesuai spesifikasi SINJAI
Valve throat dia (mm)
19 (untuk DOHC)
24.8 (untuk SOHC) Pengukuran
Port tipe Default good port Default
Exhaust Valve
Tipe Spesifikasi Referensi
Valve open (deg)
38°, 43°, 48°, 53° (standar), 58°, 63°,
68°
Sesuai spesifikasi dan variasi yang
akan dilakukan
Valve close (deg)
0°, 5°, 10°, 15° (standar), 20°, 25°,
30°
Sesuai spesifikasi dan variasi yang
akan dilakukan
Dwell at max (deg) 0 -
Max lift (mm) 7.8 Pengukuran
MOP (deg) 105 Nilai tengah durasi
Tabel 4.4 Data komponen properties bahan bakar Fuel and Fuel System
Tipe Spesifikasi Referensi
Fuel system Direct injection (DOHC)
Port Injection (SOHC)
Spesifikasi SINJAI
Fuel type Gasoline Spesifikasi
SINJAI
Calorific value
(kJ/kg) 43000.0 Default
Density (kg/litre) 0.7500 Default
H/C ratio fuel (molar) 1.8000 Default
O/C ratio fuel (molar) 0.000 Default
Molecular mass
(kg/k.mol) 114.230 Default
4. 2. 2 Data Kondisi Pengujian
Simulasi dilakukan dengan kondisi steady state sesuai standart default dengan data input engine SINJAI 650 cc dengan bahan bakar gasoline. Combustion model yang digunakan adalah
Sigle Wiebe sedangkan Engine Heat Transfer yang digunakan adalah Woschini. Berikut adalah parameter input yang digunakan sebagai dasar simulasi.
Dalam pengoperasian engine dengan menggunakan simulasi ada point yang perlu diinputkan dalam test condition data
wizard.
Gambar 4.2 Mengakses test condition data wizard pada LES Tabel 4.5 Data kondisi pengujian
Heat-Phase
Tipe Spesifikasi Referensi
Select Phase Option Default Heat
Release Phase
Default Heat-Period
Tipe Spesifikasi Referensi
Select Duration Option Default Duration
Fuelling
Tipe Spesifikasi Referensi
Combustion efficiency 0.8 User defined
Mal-distribution Factor 0.0100 Default
Air Fuel Ratio 14.7 Sesuai
Stokiometri Boundary Condition
Tipe Spesifikasi Referensi
Relative humidity 0.7 Sesuai STP
Ambient air pressure
(bar) 0.999 Sesuai STP
Ambient air temperature
(C) 27 Sesuai STP
Friction
Tipe Spesifikasi Referensi
Select Friction Option
H.B.Moss Gasoline Engine
Friction Model
Default Solution
Tipe Spesifikasi Referensi
No. cycle before
convergence Check 4 Default
Max no. cycle simulation
job 50 User defined
Cycle no. from which
result are written 10 Default
4. 2. 3 Konvergensi Simulasi
Pada LOTUS Engine Simulation, batasan error sesuai dengan default konvergensi simulasi. Seperti cylinder inlet dan
exhaust memiliki batasan error 0.5%, sedangkan untuk pipe memiliki batasan error sebesar 3%. Apabila nilai error melebihi batasan yang diizinkan tersebut maka hasil simulasi tidak konvergen dan hasil tersebut tidak valid. Sebagai contoh, gambar menunjukkan hasil simulasi yang konvergen.
Gambar 4.3 Grafik konvergensi file (.mrs) pada LES Pada grafik nilai error (dalam %) fungsi rpm, grafik warna cokelat menunjukkan nilai error untuk kalkulasi pada
average cylinder exhaust dengan kisaran 0.1% hingga 0.2%. Grafik warna biru menunjukkan nilai error untuk kalkulasi pada average
cylinder inlet dengan kisaran kisaran 0.1% hingga 0.2%. Grafik warna hijau menunjukkan nilai error untuk kalkulasi pada plenum dengan kisaran kisaran 0.1% hingga 0.2%. Sedangkan Grafik warna merah menunjukkan nilai error untuk kalkulasi pada pipe dengan kisaran kisaran 0.1% hingga 0.9%.
Dengan hasil seperti gambar maka hasil kalkulasi dapat dikatakan konvergen dan valid, karena nilai error lebih kecil dari nilai error yang diizinkan.
4. 3 Data Hasil Unjuk Kerja dengan Metode Simulasi
Dari hasil simulasi dapat diperoleh beberapa informasi unjuk kerja engine berupa format file. Dimana format file tersebut mengandung parameter-parameter berupa nilai unjuk kerja, grafik, video distribusi panas dan lain-lain. Format file yang dihasilkan berupa (.prs), (.mrs), dan (.gif). Berikut adalah contoh beberapa format file yang dapat ditampilkan:
4. 3. 1 Format File (.prs)
Format file (.prs) yang dihasilkan LOTUS Engine
Simulation dapat dibuka dengan Notepad pada windows. File tersebut berisikan informasi data input dan hasil kalkulasi setiap parameter unjuk kerja engine. Contohnya hasil kalkulasi flowrate, temperatur, tekanan, heat-transfer, komposisi gas buang, konvergensi dan lain-lain. Selain itu juga terdapat besaran unjuk kerja engine, seperti torsi, daya, bmep, bsfc, efisiensi thermal dan efisiensi volumetris.
Gambar 4.4 Data hasil kalkulasi pada file (.prs)
4. 3. 2 Format File (.mrs)
Format file (.mrs) yang dihasilkan hanya dapat dibuka dengan aplikasi LOTUS Engine Simulation. File tersebut berupa grafik yang menunjukkan parameter unjuk kerja engine. Contohnya grafik airflow, combustion, konvergensi, torsi, daya, bmep, bsfc dan efisiensi volumetris.
Gambar 4.5 Grafik pada file (.mrs)
4. 3. 3 Format File (.gif)
Untuk me-record format file (.gif) yang dihasilkan
LOTUS Engine Simulation dibutuhkan aplikasi lain, yaitu
GIFmaker. Dimana file ini mengilustrasikan distribusi panas dan tekanan yang terjadi pada engine. Warna merah menunjukkan temperatur dan tekanan tinggi sedangkan warna biru menunjukkan temperatur dan tekanan rendah.
4. 4 Data Hasil Pengukuran Unjuk Kerja dengan Metode Eksperimen
Dari hasil eksperimen pengujian dapat diperoleh beberapa parameter unjuk kerja engine. Dimana parameter-parameter tersebut akan digunakan untuk menghitung parameter unjuk kerja yang lain. Berikut adalah parameter hasil pengukuran unjuk kerja engine standar:
Tabel 4.6 Hasil Pengukuran Unjuk Kerja Engine
rpm Gaya lengan torsi (kg) Konsumsi 10 ml bahan bakar (second) Selisih ketinggian pitot (mm)
2000 8.2 12.13 2.1 2500 9.2 10.42 3.9 3000 10.3 8.77 7 3500 9.9 7.8 8.7 4000 9.1 7.12 10.6 4500 8.5 6.56 11.6 5000 8 6.04 13.5
Tabel 4.7 Hasil Pengukuran Kondisi Operasional Engine rpm Head blok exhaust coolant oil CO (%) COTemperatur (°C) Emisi gas buang
2 (%) HC (ppm) 2000 51 50 512 65 52 0.752 3.44 31 2500 55 51 562 69 63 0.73 3.49 31 3000 56 53 593 70 73 1.162 4.56 32 3500 57 53 603 75 73 1.814 5.9 45 4000 58 54 613 78 74 0.948 3.83 45 4500 63 57 691 78 76 0.887 4.78 43 5000 67 60 748 80 85 0.304 5.35 30
4. 5 Contoh Perhitungan Eksperimen
Tujuan dari perhitungan yang dilakuakn ini untuk mengetahui besar dari setiap unjuk kerja engine SINJAI 650 cc. Dalam penelitian ini ada parameter-parameter yang diukur dan ada parameter-parameter yang dihitung. Parameter yang diukur adalah
torsi, waktu konsumsi bahan bakar dan putaran engine. Sedangkan parameter yang dihitung adalah daya efektif (bhp), tekanan efektif rata-rata (bmep), konsumsi bahan bakar spesifik (bsfc), efisiensi thermal dan efisiensi volumetris. Dalam penelitian ini satuan yang digunakan untuk perhitungan adalah satuan SI. Untuk perhitungan unjuk kerja ini yang digunakan adalah data port injection kondisi
camshaft standar pada putaran 3000 rpm.
4. 5. 1 Perhitungan Torsi
Dari hasil pengujian diperoleh nilai gaya pada lengan
waterbrake pada putaran engine 3000 rpm adalah 10.3 kg dengan panjang lengan waterbrake 0.35 m. Karena pada penelitian ini menggunakan satuan SI maka hasil tersebut harus dikonversikan. Konversi yang dilakukan adalah sebagai berikut:
𝑇 = 10.3 𝑘𝑔 × 9.81 𝑚
𝑠2 × 0.35 m 𝑇 = 35.36 𝑁. 𝑚
4. 5. 2 Perhitungan Daya
Daya yang dihasilkan oleh motor pembakaran dalam ada 3 jenis, yaitu indicative horse power (ihp), brake horse power (bhp)
dan friction horse power (fhp). Daya yang digunakan pada perhitungan ini adalah brake horse power (bhp). Untuk memperoleh
bhp, digunakan persamaan sebagai berikut: 𝑏𝑝 = 2 × 𝜋 × 𝑛 × 𝑇 𝑏𝑝 = 2 × 𝜋 × 50𝑟𝑒𝑣
𝑠 × 35.36 𝑁. 𝑚 𝑏𝑝 = 11.11 𝑘𝑊
4. 5. 3 Perhitungan Tekanan Efektif Rata-rata (bmep)
Untuk mendapatkan nilai tekanan efektif rata-rata diperlukan beberapa parameter dari spesifikasi engine. Adapaun parameter yang diperlukan adalah sebagai berikut:
Diameter piston (D) : 76 mm Panjang langkah (l) : 71 mm Jumlah silinder (i) : 2
Koefisien (z) : 2 (untuk motor 4 langkah) Putaran engine (n) : 50 rps
Dari data spesifikasi piston dapat diperoleh luas permukaan piston (A), yaitu:
𝐴 =𝜋
4× 𝐷2 = 𝜋
4× 𝑚 2 = 4.5342 × 10−3 𝑚2
Dari parameter tesebut dapat diperoleh nilai besaran bmep pada engine, yaitu dengan persamaan:
𝑏𝑚𝑒𝑝 = 𝑏𝑝 × 𝑧 𝐴 × 𝑙 × 𝑛 × 𝑖 𝑏𝑚𝑒𝑝 = 11.11 𝑘𝑊 × 2 4.5342 × 10−3 𝑚2 × 0.071 𝑚 × 50 𝑟𝑒𝑣 𝑠 × 2 𝑏𝑚𝑒𝑝 = 691.88 𝑘𝑃𝑎 = 6.9188 𝑏𝑎𝑟
4. 5. 4 Perhitungan Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (bsfc)
Konsumsi bahan bahan bakar spesifik didefinisikan sebagai banyaknya bahan bakar yang digunakan per satuan waktu untuk menghasilkan setiap satuan daya engine. Untuk mendapatkan nilai bsfc diperlukan beberapa parameter hasil pengukuran. Adapun parameter yang diperlukan adalah sebagai berikut:
Waktu konsumsi bahan bakar (t) Volume konsumsi bahan bakar (v) Densitas bahan bakar (ρf)
Dari parameter tersebut dapat diperoleh nilai massa bahan bakar yang digunakan, yaitu:
𝑚𝑓 = 𝜌𝑓 × 𝑣 𝑚𝑓 = 0.749 𝑘𝑔
𝑙 × 0.01 𝑙 𝑚𝑓 = 0.00749 𝑘𝑔
Kemudian menghitung laju massa bahan bakar yang dikonsumsi, yaitu: 𝑚 𝑓=𝑚𝑓 𝑡 𝑚 𝑓=0.00749 𝑘𝑔 8.77 𝑠 𝑚 𝑓= 0.000854 𝑘𝑔 𝑠
Dan terakhir menghitung nilai bsfc dengan persamaan sebagai berikut: 𝑏𝑠𝑓𝑐 =𝑚 𝑓 𝑃 𝑏𝑠𝑓𝑐 =0.000854 𝑘𝑔 𝑠 11.11 𝑘𝑊 × 3600 𝑠 𝑏𝑠𝑓𝑐 = 276.621 𝑔𝑟 𝑘𝑊.
4. 5. 5 Perhitungan Efisiensi Thermal
Efisiensi thermal adalah parameter yang mengindikasikan seberapa besar energi dari bahan bakar yang dikonversikan menjadi tenaga pada engine. Efisiensi thermal merupakan parameter tanpa dimensi dan dapat diperoleh dengan adanya beberapa parameter, diantaranya:
bhp
Nilai kalor bahan bakar
Laju massa konsumsi bahan bakar (ṁf)
Dengan parameter-parameter diatas maka dapat diperoleh nilai efisiensi thermal dengan persamaan:
𝜂𝑡 = 𝑏𝑝
𝑚 𝑓 × 𝑄𝑖𝑛 × 100% 𝜂𝑡 = 11.11 𝑘𝑊
0.000854 𝑘𝑔𝑠 × 43,000 𝑘𝑔𝑘𝐽 × 100% 𝜂𝑡 = 30.26 %
4. 5. 6 Perhitungan Efisiensi Volumetris
Efisiensi volumetris merupakan parameter yang mengindikasikan seberapa banyak jumlah udara yang masuk kedalam silinder saat langkah hisap. Efisiensi volumetris adalah parameter tanpa dimensi dan dapat diperolah dengan persamaan:
𝜂𝑣 = 2 𝑚 𝑎 𝜌𝑎 𝑉𝑑 𝑁 𝜂𝑣 = 2 × 0.01446 𝑘𝑔 𝑠 1.1763 𝑚𝑘𝑔3× 0.00064385 𝑚3× 50 𝑟𝑝𝑠 × 100% 𝜂𝑣 = 76.38 %
4. 6 Analisa Unjuk Kerja
Unjuk kerja engine adalah kemampuan engine untuk menghasilkan tenaga atau power pada setiap putaran engine. Selain itu juga untuk mengetahui pengaruh variasi durasi camshaft terhadap performa engine. Untuk dapat mengetahui tingkat performa dari suatu engine, maka dapat dilihat dari beberapa parameter diantaranya torsi, daya, tekanan efektif rata-rata, konsumsi bahan bakar spesifik, efisiensi thermal dan efisiensi volumetris.
4. 6. 1 Grafik Simulasi Direct Injection DOHC dengan
Variasi Durasi Camshaft
4. 6. 1. 1 Grafik Torsi vs rpm Direct Injection DOHC Simulasi
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs rpm Direct Injection DOHC Simulasi 40 45 50 55 60 1000 2000 3000 4000 5000 6000